3. Одержання пари та її характерні стани

16.3.1. У всіх галузях промислового виробництва набули широкого застосування пари різних речовин: води, аміаку, вуглекислоти й ін. З них найбільше поширення одержала водяна пара, що є робочим тілом у парових турбінах, парових машинах, в атомних установках, теплоносієм у різних теплообмінниках

Процес перетворення речовини з рідкого стану в газоподібне називається паротворенням. Випаром називається паротворення, що відбувається завжди при будь-якій температурі з вільної поверхні рідини або твердого тіла. Процес випару полягає в тому, що окремі молекули з більшими швидкостями переборюють притягання сусідніх молекул і вилітають у навколишній простір. Інтенсивність випару зростає зі збільшенням температури рідини.

Процес кипіння полягає в тому, що якщо до рідини підводити теплоту, то при деякій температурі, яка залежить від фізичних властивостей робочого тіла й тиску, наступає процес паротворення як на вільній поверхні рідини, так і усередині неї.

Якщо паротворення рідини відбувається в необмеженому просторі, то вся вона може перетворитися в пар. Якщо ж паротворення рідини відбувається в закритій посудині, то молекули, що вилітають із рідини, заповнюють вільний простір над нею, при цьому частина молекул, що рухаються в паровому просторі над поверхнею, вертається назад у рідину. У деякий момент між паротворенням і зворотним переходом молекул з пари в рідину може наступити рівновага, при якій число молекул, що вилітають із рідини, дорівнює числу молекул, що вертаються назад у рідину. У цей момент у просторі над рідиною буде перебувати максимально можлива кількість молекул. Пара у цьому стані досягає максимальної густини при даній температурі й називається насиченою.

Таким чином, пара, що стикається з рідиною й перебуває з нею в термічній рівновазі, називається насиченою. Зі зміною температури рідини рівновага порушується, викликаючи відповідну зміну густини й тиску насиченої пари.

16.3.2. Характерні стани пари. Випар рідини відбувається при підведенні до робочого тіла певної кількості теплоти. Як ми вже відзначали, кількість теплоти, необхідна для переведення при постійному тиску 1 кг рідини, нагрітої до температури насичення, у суху насичену пару, називається питомою теплотою паротворення r.

Відповідно до рівняння першого закону термодинаміки питома теплота паротворення r для ізобарного (й ізотермічного) процесу паротворення визначається вираженням

⁽³⁶⁸⁾

де и", v " — відповідно внутрішня питома енергія й питомий об'єм сухої насиченої пари.

Частина ρ_u питомої теплоти паротворення r витрачається на зміну внутрішньої питомої енергії, на подолання сил внутрішнього зчеплення між молекулами, тобто на переведення рідини в пару (робота дисгрегації — зміна агрегатного стану), тому

ρ_u = і"— и'.

Частина питомої теплоти паротворення, що залишилася – ψ, забезпечує здійснення роботи розширення, тому

ψ = р (v "— v'). (370)

Отже

r = ρ_u + ψ , (371)

де ρ_u — внутрішня питома теплота паротворення (кінетична енергія молекул зберігається, тому що температура парорідинної суміші постійна) і ψ - зовнішня питома теплота паротворення.

Пара може бути вологою, сухою, насиченою та перегрітою.

Суміш киплячої рідини й сухої насиченої пари, що перебувають між собою в термодинамічній рівновазі, називається вологою парою. На мал. 39 це область станів, обмежена верхньою й нижньою межовими кривими.

Для однозначного визначення стану вологої пари необхідно знати співвідношення в неї мас рідини й пари.

Маса т_х вологої пари (маса суміші) визначається сумою мас т" сухої насиченої пари й т' рідини так, що

т_х = т" + т'

Відношення маси т" сухої насиченої пари до маси т_х суміші називається ступенем сухості пари

⁽³⁷³⁾

Отже, вміст рідини в суміші можна охарактеризувати ступенем вологості пари у вигляді співвідношення

⁽³⁷⁴⁾

B рv- і sT-діаграмах значення х = 0 відповідає нижній межовій кривій, а х = 1 — верхній.

Об'єм, ентропія, внутрішня енергія й ентальпія, підкоряються закону адитивності, тому питомі значення цих величин для вологої пари визначаються наступними співвідношеннями;

v_x = v' (1 — х) + v"х

або:

v_x = v' + х (v''— v'); (375)

s_x = s' + х (s'' — s'); (376)

u_x = u' + х (u''— u'); (377)

i _x = i' + х (i''— i'). (378)

Наведені співвідношення дозволяють визначити ступінь сухості пари у вигляді відношень

^{= (379)}

Ці вираження дозволяють визначити положення ліній постійного ступеня сухості в будь-якій діаграмі стану.

16.3.3. Особливості рv-діаграми водяної пари

Фазова рv-діаграма системи, що складається з рідини й пари, являє собою графік залежності питомих об'ємів води й пара від тиску.

Нехай вода, маса якої 1 кг при температурі 0° С и деякому тиску р, займає об'єм v₀ (відрізок NS) (мал. 11-1). Вся крива АЕ виражає залежність питомого об'єму води від тиску при температурі 0°С. Оскільки вода – речовина майже нестислива, то крива АЕ майже паралельна осі ординат. Якщо при постійному тиску надавати воді теплоту, то її температура буде підвищуватися й питомий об'єм збільшуватися. При деякій температурі t_н вода закипає, а її питомий об'єм v' у крапці А' досягає при даному тиску максимального значення. Зі збільшенням тиску зростає температура киплячої рідини t_н, і об'єм v' також збільшується.

Графік залежності v' від тиску представлений на мал. 11-1 кривою АК, що є вже відомою пограничною кривою рідини. Характеристикою кривої АК є ступінь сухості х = 0.

У випадку подальшого підведення теплоти при постійному тиску почнеться процес паротворення. При цьому кількість води буде зменшуватися, кількість пари збільшуватися.

У момент закінчення паротворення в точці В' пара буде сухою насиченою. Питомий об'єм сухої насиченої пари позначається v''.

Якщо процес паротворення протікає при постійному тиску, то температура його не змінюється й процес А'В' є одночасно ізобарним й ізотермічним. У точках А' і В' речовина перебуває в однофазному стані. У проміжних точках речовина складається із суміші води й пари, тобто така суміш тіл є двофазною системою. Графік залежності питомого об'єму v'' від тиску представлений на мал. 11-1 кривою KB, що є пограничною кривою пари.

Характеристикою кривою КВ є ступінь сухості х = 1.

Точка A відповідає стану киплячої рідини в потрійній точці (t₀ = 0,01° ≈ 0°С), а ізобара АВ відповідає станам рівноваги всіх трьох фаз (потрійна точка на рТ-діаграмі). Ця ізобара при обраному масштабі зображення кривих практично збігається з віссю абсцис.

Якщо до сухої насиченої пари підводити теплоту при постійному тиску, то температура й об'єм її буде збільшуватися й пара із сухої насиченої перейде в перегріту (точка D).

Обидві криві АК і ВК ділять діаграму на три частини. Уліво від пограничної кривої рідини АК до нульової ізотерми розташовується область рідини. Між кривими АК і ВК розташовується двофазна система, що складається із суміші води й сухої пари. Вправо від ВК і нагору від точки К розташовується область

перегрітої пари або газоподібного стану тіла. Обидві криві АК і ВК сходяться в одній точці К, що є критичною точкою. Критична точка є кінцевою точкою фазового переходу рідина - пара, що починається в потрійній точці. Вище критичної точки існування речовини у двофазному стані неможливо. Ніяким тиском не можна перевести газ у рідкий стан при температурах вище критичної.

Параметри критичної точки для води: t_К = 374,12° С; v_К = 0,003147 м³/кг; р_к = 221,15 бар; і_К = 2095,2 кДж/кг; s_К = 4,424 кДж/( кг·град).

Область, розташована між ізотермою води при температурі 0°С (лінія АЕ) і віссю ординат, являє собою область рівноважного співіснування рідкої й твердої фаз.